专用集装箱吊具的优化设计

翟 旺 李 帅 白文龙

一种专用集装箱，采用上开盖结构形式，主要由底座及箱盖等组成，箱盖与底座间由多组螺栓连接固定。底座用于装载并固定货物, 箱盖主要起防护作用，具有对内部运输产品与外界环境的隔热、防雨、防尘等功能。底座为适应大载荷装载要求，必须有足够的强度和刚度。因运输条件、质量要求所限，综合考虑制造成本，箱盖结构设计相对轻便，结构强度较低。整箱吊装时，因箱盖结构强度低，必须将整箱满载吊点设在底座上相应位置。该集装箱无法采用常用吊顶方式进行吊装，需配套设计专用吊具。传统吊装方式如图1 所示。

带载

1. 吊环 2. 斜吊索 3. 吊架 4 . 垂直吊索 5 . 箱体

6. 前吊点 7. 后吊点

图1 专用集装箱吊装示意图

需要特别指出的是，该吊具吊装时吊具与集装箱的底部连接，其吊装稳定性与常用顶部吊装方式相比有较大差异。如果吊具与集装箱某些参数匹配不合理，集装箱起吊后倾角会较大，严重时甚至会引起倾覆危险。以某产品为例，曾发生吊装时集装箱前后方向倾斜角度超出允许范围，无法按正常操作完成工作任务，采取增加配重进行平衡后才完成吊装。另该吊具结构尺寸大，操作、运输不方便。吊架尺寸7 000 mm×3 000 mm×500 mm，必须单独使用车辆进行运输，吊具宽度超出一般公路运输车车箱宽度，运输不便。为便于使用、操作、运输，有必要对该吊具进行优化设计。

1 新吊具设计

1.1 结构

从简化结构、减小外形、便于使用等角度出发，对吊具结构进行优化设计。新吊具结构及组成如图2 所示，主要由吊梁、下吊索、销轴Ⅰ、上吊索、销轴Ⅱ、销轴Ⅲ等组成。

1. 吊梁 2 . 下吊索 3 . 销轴Ⅰ 4. 上吊索 5. 销轴Ⅱ 6. 销轴Ⅲ

图2 吊具组成

吊梁为主体承力结构，吊梁中间主体结构由矩形钢管或钢板焊接成形，两端上侧开槽并加工销孔安装销轴Ⅱ，上吊索通过销轴Ⅱ与吊梁连接；两端两侧焊接耳片，可安装销轴Ⅰ并与下吊索连接。吊装时，上吊索直接与吊车吊钩连接，下吊索通过销轴Ⅲ与集装箱底部连接孔连接。销轴Ⅲ插入到集装箱底部吊装孔内。

1.2 吊梁有限元分析

以某产品为例，吊梁几何模型见图3。吊梁质量约180 kg。选取网格类型为Solid 185，经计算上吊索拉力17.6 t，下吊索单边拉力8.8 t，方向均为各面内斜45°方向。将各载荷加载至相应销孔。计算结果见图4、图5，计算得局部最大应力228MPa，最大变形约0.5 mm。吊梁材料选取Q345，安全系数大于1.5，符合吊装规范要求。吊梁仅在端部销轴连接处附近应力较大，吊梁中部应力不大于25.6 MPa。

图3 吊梁几何模

图4 吊梁应力云图

图5 吊梁变形云图2 新旧吊具对比

2.1 2 种吊具主要参数比较

新的吊具外形尺寸和结构重质量与原吊具相比显著减小，两种吊具主要参数比较见表1。

表1 2 种吊具参数比较

2.2 2 种吊具吊装时倾角计算对比

2.2.1 前后方向倾角计算

1) 原吊具吊装时倾角计算图6 为专用集装箱吊装尺寸示意图。

图6 专用集装箱吊装尺寸示意图

忽略吊具质量影响，原吊具起吊后倾斜角度α 1 计算为

式中：a 为吊钩至吊架与垂直吊索上方连接点距离；c 为集装箱质心与垂直吊索下连接点的垂向投影距；x为集装箱实际质心与理论质心沿前后方向的差。

偏

2) 新吊具吊装时倾角计算

图7 为新吊具吊装尺寸示意图。

忽略吊具质量影响，参照图7，新吊具货物起吊后前后方向倾斜角度α 2 计算为

式中：d 为下吊索上、下连接点垂向投影距离，c为集装箱质心距吊索下连接点的垂向投影距离，x 为集装箱实际质心与理论质心沿前后方向的偏差。

1. 上吊索 2. 下吊索 3. 箱体

图7 新吊具吊装尺寸示意图（侧向）

将某集装箱参数代入，求得原吊具不同箱体质心偏吊装倾角α 1。取d ＝ 2 900，c ＝ 1 100，计算求得新吊具不同箱体质心偏差下吊装倾角α 2。两种吊具吊装倾角计算结果见表1。经对比分析，新吊装方式箱体倾角约为原吊装方式倾角的40%。

差下

表1 吊装倾斜计算结果

2.2.2 左右方向倾角计算

图8 为新吊具吊装尺寸示意图（前后方向）。仅对吊具前后方向的倾斜角度进行分析。在吊具设计、使用时，同时要关注吊装时左右方向倾斜程度。参见图8，在下吊带与箱体侧壁未接触条件下，新吊具货物起吊后左右方向倾斜角度α 3 计算为

式中：a 为吊钩至吊架与垂直吊索上方连接点距离；c 为集装箱质心距下吊索下连接点的垂向投影距离；y为集装箱实际质心与理论质心沿左右方向的偏差依据式（1）、式（3），可见更改前后两种吊具，在图8 所示投影尺寸a、c 相同时，吊装相同状态集装箱时，左右方向倾角相同。

1. 箱体 2. 下吊索 3. 上吊索

图8 新吊具吊装尺寸示意图（前后方向）

依据式（3），如果a ＞c ，该吊具使用时左右方向倾角可预知并可控。如果a ＜c ，吊装开始时箱体倾斜，直至箱体侧壁与吊具下吊索接触，依靠下吊索的约束使整箱不会倾翻；虽然箱体不会倾翻，但倾斜角度不易控制，且吊装不平稳，容易晃动。因此，吊具设计时，应该保证特征参数a ＞c 。

3 新吊具问题分析

3.1 产品质心变化造成倾角太大

产品吊装倾角太大，存在倾覆、晃动等不安全隐患。可采用配置不同吊装连接点的方法进行调整，在箱体上前、后两吊点位置增加一组或几组吊装孔。箱体实际质心与理论质心相差较大时，可将吊具下方销轴插入到箱体不同吊装孔进行纠正。

3.2 吊装方式改变对集装箱受力分析

理论上，采用原吊具吊装时，吊索只对集装箱底座提供向上拉力，不会对集装箱底座产生前后方向轴向力。但采用本吊具，因吊索倾斜，会对集装箱底座产生轴向分力。但因底座结构强，轴向截面尺寸大，因吊装改变产生的轴向分力对集装箱底座受力影响不大。以某集装箱为例，满载吊装时，仅在吊具与集装箱底部连接点附近应力变化较为明显，对该区域结构进行局部加强后，经计算新的吊装方式与原来相比结构最大应力增加约3 MPa，在材料的许用应力范围内。

方式

4 吊具优点

1）吊梁每端所受向下垂向力和侧向力的垂向分力相互平衡，吊梁中间主体结构只承受由上吊带带来的轴向压力，结构受力较好。

2）质量轻。新吊具吊梁质量可减至原吊具的0.05倍。

3）运输方便。吊具分解、组装方便。吊梁中部为200 mm×200 mm 矩形钢管，端部最宽处400 mm，长为3 000 mm。装车固定方便，占用车辆空间小。

4）吊装稳定性好，本吊具吊装倾角为原吊具的40%。

5）成本低。产品成本可降低至不足原产品的1/3。5 优化方法

1）吊梁选用焊接性能好的高强度材料，可提高吊具的承载能力或进一步减轻吊具质量。

2）安装销轴的各孔为吊具薄弱环节，可增加可拆卸轴套以提高其承载能力，进而提高整个吊具的承载能力及寿命。

3）依据有限元分析结果，吊梁中部承载较小，可对结构作变截面优化，进一步减轻吊具质量。

6 结论

产品设计时，在满足基本使用要求的同时，要注重产品的使用性，力求使产品小型化、轻量化，操作简单，运输方便。同时，对传统产品使用中暴露的问题，应寻找解决措施，使产品得以不断完善并更新换代。